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基于模糊控制的光伏发电系统MPPT设计_荆红莉

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基于模糊控制的光伏发电系统MPPT设计_荆红莉

国外电子测量技术 中国科技核心期刊 基于模糊控制的光伏发电系统 M P P T 设计 *荆红莉 赵 鹏( 榆林学院 榆林 7 1 9 0 0 0 )摘 要 为 了 提 高 光 伏 发 电 的 效 率 , 分 析 了 光 伏 发 电 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 的 原 理 , 选 出 了 实 现 最 大 功 率 跟 踪 的 硬件 电 路 。 针 对 光 伏 电 池 输 出 的 非 线 性 特 点 , 提 出 了 将 模 糊 控 制 应 用 于 光 伏 发 电 的 MP P T 控 制 中 , 设 计 了 模 糊 控 制器 , 并 在 正 常 光 照 及 光 照 强 度 变 化 的 条 件 下 对 模 糊 算 法 控 制 系 统 和 扰 动 观 察 算 法 控 制 系 统 进 行 了 仿 真 实 验 , 得 出 两种 算 法 控 制 下 系 统 输 出 的 电 压 波 形 。 通 过 对 波 形 的 对 比 分 析 , 进 一 步 证 明 了 模 糊 MP P T 控 制 系 统 响 应 快 , 抗 干 扰 能力 强 , 系 统 稳 定 性 好 。关键词 光伏发电 ; M P P T ; 模糊控制 ; MA T L A B 仿真中图分类号 TM 6 1 5 T N 7 1 0 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 4 7 0 . 4 0 3 4D e s i g n o f M P P T i n p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e m b a s e d o n f u z z y c o n t r o lJ i n g H o n g l i Z h a o P e n g( Y u l i n U n i v e r s i t y , Y u l i n 7 1 9 0 0 0 , C h i n a )A b s t r a c t I n o r d e r t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f t h e p h o t o v o l t a i c p o w e r g e n e r a t i o n , t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e p h o t o v o l t a i cm a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g c o n t r o l s y s t e m p r i n c i p l e , c h o o s e d t h e h a r d w a r e c i r c u i t t o a c h i e v e m a x i m u m p o w e r t r a c k -i n g . A c c o r d i n g t o t h e n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f p h o t o v o l t a i c c e l l s o u t p u t , f u z z y c o n t r o l i s p u t f o r w a r d t o t h e a p p l i c a t i o no f p h o t o v o l t a i c p o w e r g e n e r a t i o n M P P T ( m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g ) c o n t r o l , t h e f u z z y c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d ; a n du n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e n o r m a l i l l u m i n a t i o n a n d t h e d i s t u r b a n c e o f l i g h t i n t e n s i t y o b s e r v e d o u t p u t v o l t a g e w a v e f o r m s o ff u z z y s y s t e m a n d P &O s y s t e m b y s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t . T h r o u g h c o m p a r i s o n a n d a n a l y s i s o f w a v e f o r m s p r o v e d t h a t t h ef u z z y M P P T c o n t r o l s y s t e m h a s f a s t e r r e s p o n s e s p e e d , b e t t e r s t a b i l i t y a n d s t r o n g e r a n t i -j a m m i n g a b i l i t y .K e y w o r d s P V s y s t e m ; M P P T ( m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g ) ; f u z z y c o n t r o l ; MA T L A B s i m u l i n k收稿日期 2 0 1 5 - 0 7* 基金项目 榆林学院高层人才科研启动基金 ( 1 4 K G 3 3 ) 项目1 引 言能源和环保是 目 前 人 类 关 注 的 热 点 问 题 。 为 了 缓 解能源危机 、 保护生存环境 , 人类开始开发利用清洁 、 环保的可再生能源 [ 1 ] 。 光伏发电是太阳能利用的一种主要形式 ,其特点是安全 、 环保 、 不枯竭 。 但由于光伏发电效率低 、 成本高 , 因此到目前为止没能广泛应用 。 为了提高光伏发电效率 , 国内外电光伏专家分别从对光伏阵列最大功率点的跟踪方法及采用 高 频 链 逆 变 器 等 方 面 进 行 深 入 研 究 。 光伏阵列输出具有非线性特征 , 使光伏电池输出功率在一定的工况下存在最优 点 , 并 且 随 着 光 照 和 温 度 参 数 的 改 变 ,最优工作点也会 随 着 改 变 。 为 了 能 一 直 获 得 最 大 输 出 功率 , 光伏发电系统必须进行最 大 功 率 点 的 跟 踪 ( m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g , M P P T ) 控制 。 M P P T 控制的设计包括硬件电路设计和 M P P T 算法设计两大部分 [ 2 ] 。2 光伏系统 M P P T 原理及实现电路为了实现最大功率点跟踪控制 , 光伏发电系统常借助于 D C / D C 变换电路 , 通过对开光器件占空比 D 的调节进行阻抗匹配 , 从而使 光 伏 阵 列 输 出 最 大 功 率 , 提 高 光 伏 系统的发电效率 。 常用的 D C / D C 变换电路有升压 B o o s t 电路 、 降压 B u c k 电 路 、 升 降 压 B u c k - B o o s t 电 路 等 [ 2 ] 。 由 于B o o s t 电路具有输入端电流连续 , 不需外加储能电容 , 功率开关一端接地使驱动电路设计简单等优点 , 所以本设计采用 B o o s t 电路拓扑结构实现光伏发电系 统 中 的 M P P T 功能 。 B o o s t 电路 M P P T 电路如图 1 所示 。08中国科技核心期刊 国外电子测量技术 图 1 光伏系统 M P P T 控制电路根据功率平衡可得 U I I I = U O2R L ( 1 )U I 为 B o o s t 电路输入电压 ,I I 为输入电流 ; U O 为输出电压 , I O 为负载电流 ; R L 为负载电阻 。 由图 1 知 R I = U III( 2 )根据 B o o s t 电路的输入输出关系 U O = U I1 - D ( 3 )D 为开关占空比 。 由式 ( 1 ) ~ ( 3 ) 可得 B o o s t 电路的等效输入电阻 R I R I = ( 1 - D ) 2 R L ( 4 )由此可见通过调节占空比 D , 即可改变 B o o s t 电路的等效 输 入 电 阻 R I , 如 果 使 其 刚 好 等 于 光 伏 电 池 的 等 效 内阻 , 则光伏电池输出最大功率 。3 光伏系统 M P P T 算法实现最大功率点 跟 踪 的 常 用 典 型 控 制 方 法 为 基 于 检测的扰动观察法 、 电导增量法和基于参数选择的恒定电压法 , 以及神经网络控制算法等 [ 3 ] 。 如表 1 所示为这几种常用方法的对比 。 通过比较可以看出 , 就控制性能来看 , 电导增量和神经网络算法的控制结果振荡小 、 精度高 。 但电导增量法对硬件电 路 要 求 较 高 、 且 存 在 步 长 的 选 择 问 题 ;神经网络算法又 需 长 时 间 的 训 练 。 提 出 将 非 线 性 系 统 常用的模糊控制应用到光伏发电系统中 , 实现 M P P T 功能 。模糊控制是基于经验知识的专家控制方式 , 适用于模型复杂 、 模型未知的非线性系统 。 光伏发电系统中光伏电池的输出具有非线性点 , 并且受到温度 、 光照强度 、 工艺等因素表 1 常用 M P P T 算法比较方法 优点 缺点恒压法 简单 、 稳定 精度 、 适应性差扰动法 算法简单 、 易实现 有振荡 、 易误判电导增量 效果好 、 稳定性高 算法复杂神经网络 不需模型 、 容错性强算法复杂 、需长时间训练模糊控制 速度快、 精度高 、适应性强需历史经验的影响 , 难以用传统的控制方法实现精确控制 。 因此利用模糊控制不需建立被控对象精确数学模型 , 通过模糊语言和专家经验制定模糊控制规则 , 实现模拟人工智能控制的优点 , 将其应用于光伏发电系统来实现跟踪光伏电池输出的最大功率点 [ 4 ] 。4 M P P T 模糊控制器的设计4 . 1 输入 、 输出量的确定本设计的模糊控 制 器 采 用 两 输 入 单 输 出 的 二 维 结 构模式 [ 5 ] 。 其输入分别为光伏电池输出特性曲 线 P -U 上 相邻两点之间的功率差 E , 以及两相邻点连线的斜率 d E 。E = P ( n ) - p ( n - 1 ) ( 5 )d E = P ( n ) - p ( n - 1 )U ( n ) - U ( n - 1 ) ( 6 )式 中 P ( n ) 和 U ( n ) 分 别 表 示 光 伏 阵 列 第 n 次 采 样 的 输出 功 率 和 电 压 值 。 输 出 量 为 n 点 的 占 空 比 增 量 d D 。4 . 2 输入输出量模糊子集与论域确定设计将输入功率偏差 E 和 偏 差 斜 率 C E 以 及 输 出 量d D 分别分成 5 个模糊子集 , 即 E = C E = d D { N B , N S , Z E , P S , P B } ( 7 )式中 ( N B ) 表 示 负 大 、 ( N S ) 负 小 、 ( Z E ) 零 、 ( P S ) 正 小 、( P B ) 正大 。 将 输 入 、 输 出 论 域 规 定 为 - 6 ~ 6 。 实 际 值 的变化不在规定范围内 , 可通过量化因子把它们分别划归到模糊论域中 [ 6 ] 。图 2 模糊控制下的隶属度函数18国外电子测量技术 中国科技核心期刊 4 . 3 隶属度函数的确定根据光伏电池的输出特性 , 考虑到控制的实时性 , 为提高系统的分辨率 , 设计选择三角函数作为输入 、 输出量的隶属度函数 。 实际的输入 、 输出值乘以量化因子后根据三角函数的关系将划分到不同的论域内 。 隶属度函数如图 2 所示 。4 . 4 模糊规则本设计根据功率偏差 E , 偏差斜率 C E 来决定当前输出占空比的增量 , 通过分析光伏电池输出 P -U 曲线 , 考虑其他外界因素影响 , 可以得到 M P P T 控制的规则如下 [ 7 ] 。1 ) 当 E > 0 时 , 按原改变方向调整输出量 , 否则按反方向调整 。2 ) 当 C E 较小时 , 为减小损耗 , 选用较小的变化量 ; C E较大时 , 为提高跟踪速度 , 选较大变化量 。根据以上规则得到模糊规则推理如表 2 所示 。表 2 模糊规则推理C E EN B N S Z E P S P BN B N B N B Z E N B N BN S N B N S Z E N S N BZ E Z E Z E Z E Z E Z EP S P B P S Z E P S P BP B P B P B Z E P B P B由模糊规则推理 表 可 知 本 系 统 共 2 5 条 规 则 , 通 过 模糊推理得到模糊语言下 d D 的权值 。4 . 5 解模糊法根据模糊规则推理得到的输出量仍为模糊量 , 采用重心法进行反模糊化 , 将 其 转 化 为 占 空 比 的 实 际 变 化 量 , 对B o o s t 电路的开关进行控制 [ 8 ] 。5 模糊控制 M P P T 仿真 、 分析在 M A T L A B 环 境 下 建 立 模 糊 控 制 器 的 仿 真 模 型 如图 3 所示 。 将其封装后应用在光伏发电系统的前级仿真模型中实现 M P P T 控制 , 如图 4 所示 。 系统的仿真参数如下 光伏电池工作电压 U m = 2 1 . 7V , 开路电压 U o c = 2 4 . 2V , 工作电流 I m = 4 . 5A , 开路电流 I S C = 4 . 8A 。 电感 L = 3m H ,电容 C = 3 0 0 μ F 。 在温度为 2 5 ℃ , 光照强度为 1 0 0 0W / m 2 ,分别采用扰动观察法和模糊控制两种方法得到 B o o s t 电路的输出电压如图 5 所示 。 由于光伏电池输出电压受温度影响较小 , 所以在温度不变的情况下改变光照强度 , 在 0 . 1s光照强度从 1 0 0 0 W / m 2 变为 4 0 0 W / m 2 , 0 . 2 s 变为 6 0 0 W /m 2 , 0 . 3 s 变为 1 0 0 0W / m 2 。 图 6 为在扰动观察和模糊控制算法下得到的 B o o s t 的输出电压波形 。 通过图 5 和图 6 的比较可以看出 , 模糊控制下系统在 0 . 0 1 5s 达到稳定 , 而扰动观察控制下系统达到稳定需要 0 . 0 2s ; 在光照强度变化时 , 模糊控制系统稳定仅需 0 . 0 2 , 扰动观察系统要达到稳定最大需 0 . 1 s 。 通过仿真波形可以看出模糊控制下系统的稳定性更好 、 抗干扰能力更强 。图 3 模糊控制器仿真模型图 4 光伏系统 M P P T 仿真模型28中国科技核心期刊 国外电子测量技术 图 5 S = 1 0 0 0 W / m 2 , 两种 M P P T 方法 B o o s t电路输出电压对比曲线图 6 光照强度变化时 , 两种 M P P T 方法 B o o s t电路输出电压对比曲线6 结 论针对光伏发电系统的最大功率跟踪问题 , 提出了将模糊控制策略应用于光伏发电系统 , 设计了 M P P T 模糊控制器 [ 9 ] 。 在 M A T L A B 环境下建立了系统仿真模型 , 并在光照强度稳定和突变两种情况下对系统进行了仿真实验 。 通过比较模糊控制和常用的扰动观察控制下系统的输出电压波形 , 证明了用模糊控制实现光伏发电系统 的 M P P T 功 能 ,系统的响应速度更快 , 动态 、 稳态性能更好 [ 1 0 ] 。参 考 文 献[ 1 ] 李慧慧 . 基于模糊控制的光伏系统最大功率点跟踪研究 [ D ] . 太原 太原科技大学 , 2 0 1 0 .[ 2 ] 李绍武 , 张昌华 . 光伏发电系统的一种模糊 M P P T 控制方法 [ J ] . 湖北民族学院学报 , 2 0 1 4 , 3 2 ( 3 ) 3 1 8 - 3 2 1 .[ 3 ] 徐锋 . 一 种 基 于 模 糊 控 制 的 光 伏 发 电 系 统 的 M P P T控制 [ J ] . 电源技术 , 2 0 1 4 , 1 3 8 ( 1 ) 9 2 - 9 6 .[ 4 ] 王云飞 , 尹 忠 东 , 申 燕 飞 . 基 于 模 糊 控 制 的 M P P T 在光伏并 网 发 电 系 统 中 的 应 用 [ J ] . 现 代 电 力 , 2 0 1 1 ,2 8 ( 4 ) 5 4 - 5 8 .[ 5 ] 徐鹏威 , 刘飞 , 刘邦银 , 等 . 几种光伏系统 M P P T 方法的分析比较及 改 进 [ J ] . 电 力 电 子 技 术 , 2 0 0 7 , 4 1 ( 5 ) 3 - 5 .[ 6 ] 马小平 . 光 伏 发 电 系 统 控 制 优 化 及 实 验 研 究 [ D ] . 北京 北京交通大学 , 2 0 1 4 .[ 7 ] 姚绪梁 , 佟为 明 , 尹 国 慧 , 等 . 无 位 置 传 感 器 直 流 无 刷电动机自整定模糊控制系统研究 [ J ] . 仪 器 仪 表 学 报 ,2 0 0 9 , 3 0 ( 1 ) 1 8 7 - 1 9 2 .[ 8 ] 杜新杰 , 祝连庆 , 娄小 平 , 等 . 基 于 模 糊 P I D 的 酶 免 分析仪加样臂运动控制 [ J ] . 电子测量与仪 器 仪 表 学 报 ,2 0 1 4 , 2 8 ( 3 ) 3 2 7 - 3 3 2 .[ 9 ] 邱爱中 , 邱大为 , 郝华辉 . L C L 滤波光伏并网逆变器控制策略 [ J ] . 国外电子测量技术 , 2 0 1 3 , 3 2 ( 1 1 ) 3 8 - 4 0 .[ 1 0 ] 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 [ M ] . 北 京 北 京 工业大学出版社 , 2 0 0 1 .作 者 简 介荆红莉 , 1 9 7 6 年出生 , 硕士 。 主要研究方向为电 力 电子与拖动 。E - m a i l 2 4 5 9 8 7 8 7 9 2 @ q q . c o m38

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